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近年来,随着我国南海盆地、澳大利亚、东南亚陆缘盆地油气资源的勘探开发,张功成等[1]发现陆源有机质是陆源海相烃源岩的主要母质来源,同时,越来越多的证据也表明陆源有机质对海陆过渡相三角洲沉积体系烃源岩的发育至关重要[1⁃9]。朱纯等[10]发现陆源有机质受到水动力强度和搬运距离等因素的影响；屈童等[11]发现陆源有机质和搬运距离具有良好的相关性,吕艳美等[12]发现陆源有机质受沉积物粒径、水动力大小和距河口距离等因素的影响。虽然前人探讨了陆源有机质的影响因素[10⁃19],但不同影响因素对陆源有机质分布影响规律的研究尚且不足。
由于在海陆过渡相三角洲沉积体系内,测井及岩心资料少,优质烃源岩分布预测精度制约着海域内油气资源勘探的发展。邓运华等[8]认为,目前三角洲的形成演化与陆源有机质的搬运沉积密切相关,因此,开展对三角洲沉积体系陆源有机质的搬运沉积过程和差异性展布规律的研究非常重要。沉积模拟实验是细粒沉积物研究的有效手段[20⁃24],陆源有机质作为海陆过渡相烃源岩的主要母质来源,属于典型的细粒沉积物。研究其在三角洲沉积体系内分布规律,一方面有利于对海陆过渡相烃源岩的沉积特征和分布规律取得更全面的认识；另一方有助于补充细粒沉积在水槽模拟实验的相关证据。本文以珠江口盆地白云凹陷恩平组为地质原型,开展了陆源有机质沉积物的物理模拟实验,并借助3D激光扫描技术和碳硫分析仪检测技术,定量表征海陆过渡相三角洲沉积体系内陆源有机质的搬运沉积特征,以期为海域内海陆过渡相烃源岩分布预测提供参考依据。
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白云凹陷处于珠江口盆地南部坳陷带,隶属于珠二坳陷的一个二级构造单元,总体呈NEE向展布,水深200~2 000 m,是南海北部面积最大,最具有油气潜力的凹陷[25⁃28]。凹陷自下而上主要发育了湖相沉积的文昌组、海陆过渡相沉积的恩平组、海陆架—三角洲沉积的珠海组[26]。恩平组早期主要为陆相断陷湖盆沉积,之后逐渐转变为半封闭局限海沉积环境。前人已经证实渐新统恩平组烃源岩是白云凹陷的主力烃源岩之一[28⁃32],通过恩平组层序界面的典型地震反射特征结合钻井和测井曲线资料等,将白云凹陷恩平组自下而上划分为三个三级层序,分别是恩一段（SQ1）、恩二段（SQ2）、恩三段（SQ3）[33]。
恩平组作为白云凹陷的主要烃源岩层一直是学者们研究的重点层位。恩平组沉积时期,受不同的沉积相带控制,烃源岩呈现“二元分布”特征,其有机质主要来源于陆源高等植物[34]。恩平组时期发育三期大型辫状河三角洲（图1）,三角洲陆源海相烃源岩和煤系烃源岩广泛发育[32⁃33]。恩平组辫状河三角洲主要发育大套砂岩夹泥岩和粉砂质泥岩,薄煤层发育,呈向上变细的正粒序。恩平组沉积早—中期表现为受辫状河强烈影响的海陆过渡相环境,并由白云凹陷周边隆起区提供短期物源；恩平组沉积晚期南部控凹断裂活动减弱,受较强海水影响,此阶段表现为相对封闭的局限海沉积环境,以西北物源输入为主[32⁃39]。白云凹陷在恩平组时期连续性水进水退,古地形整体呈现东北方向倾斜的地貌,沉积时期存在波浪作用改造,近物源处坡度较陡,约3°[32]。
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水槽装置如图2所示,水槽长8 m、宽2.6 m,容纳最大水深75 cm。根据研究区恩平组海陆过渡相三角洲的底型特征、三角洲的规模以及物源供给情况,水槽设置自动加沙器（控制加砂的速率）；导流槽（物源和水流的输入途径）；滤水筛（加快沉积体水流排出）；蓄水池；蓄水泵和循环泵（提供水流,控制水位变化）；造浪器（模拟波浪的影响）,以及FARO Focuss 70 3D激光扫描仪（对砂体沉积面貌进行激光扫描,记录沉积体精确的坐标和沉积厚度数据）。水槽实验区上方2 m处,设置4K录像机,全程记录三角洲的形成与演化的过程以及陆源有机质在三角洲表面的分布,三角洲每一沉积期进行两次3D激光扫描,分别在实验中期和结束时,记录三角洲沉积厚度。
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陆源有机质模拟材料需要满足三个基本条件：（1）颜色比较明显,在平面与剖面上易于辨识；（2）具有一定有机质丰度；（3）具有足够大的密度,能够在水中自然沉降。通过检测褐煤、煤矸石、碳质泥岩、泥炭土、腐殖土、螺旋藻粉六种材料的TOC和溶解性,其中煤矸石硬度过大,难以粉碎；碳质泥岩价格较贵,不易获取；藻粉颜色不易与砂体区分,且其溶于水,难以沉降；泥炭土、腐殖土漂浮严重；而煤粉具有一定有机质丰度、颜色较明显且水体中的沉积效果较好；因此褐煤煤粉是陆源有机质的最优模拟材料。
对白云凹陷恩平组已有岩样资料分析,恩平组上段发育大套砂岩加炭质泥岩、粉砂质泥岩[33],每个沉积期岩性略有区别,结合实验水流的搬运能力以及沉积物的颗粒特征,设计物源主要由中粗砂、细砂、粉砂、泥组成,成分变化如表1。
来水特征 加砂组成/% Run1 Run2 Run3 中粗砂 细砂 粉砂 泥 中粗砂 细砂 粉砂 泥 中粗砂 细砂 粉砂 泥 洪水期 25 40 27 8 25 40 27 8 33 37 23 7 中水期 20 42 28 10 20 42 28 10 30 35 30 5 枯水期 10 46 32 12 10 46 32 12 25 34 30 11 实验以恩平组海陆过渡相三角洲为原型,主要模拟恩平组沉积时期的三角洲演化过程,并以此为基础研究陆源有机质的沉积特征和影响因素。工区沉积体系以西北部物源为主[32],因此物源设置一个。整个沉积模拟水槽,X方向范围0~6 m,Y方向使用范围0~8 m,水槽高75 cm。为方便研究坡度对陆源有机质分布的影响,水槽中间用0.4 m厚的水泥墙隔开,分隔成两个平行水槽（单个水槽x有效使用范围0~2.6 m）进行实时对比。左右平行水槽分别设置坡度为6°和3°的河口区（Y=0~0.5 m,其中0~0.35 m为固定河道）,根据实际前积角度[32],设计1°~3°的三角洲沉积区（Y=0.5~3 m）、1°~2°的陆架区（Y=3~6 m）、7 m处设置12°的大陆坡,水流和物源在平行水槽X=1.3 m输入（图3）。研究此底型下海陆过渡相三角洲的形成演化,并探讨陆源有机质沉积汇聚的影响因素。
基于恩平组层序地层划分结果,模拟实验设计三个沉积期,分别对应三个三级层序,陡缓坡实验的水位变化与白云凹陷恩平组三级层序保持一致。第一沉积期（Run1）模拟水退条件下海陆过渡相三角洲沉积过程；第二沉积期（Run2）模拟完整旋回下陆源有机质在海陆过渡相三角洲体系的沉积过程；第三沉积期（Run3）模拟在波浪条件下陆源有机质在海陆过渡相三角洲体系内的沉积过程。
实验基本参数见表2。设定实验有机质添加速率第一期3.6 L/h、第二期和第三期为3.6~4.5 L/h。为了在平面和剖面上清楚识别有机质沉积特征,煤粉先与水混合搅拌均匀后定量加入。为了明确坡度对于有机质沉积富集的影响,左右平行水槽分别设置坡度为6°的陡坡和3°的缓坡,其他实验条件均一致。
实验期次 实验坡/(°) 来水过程 历时/min 流量/（L/s） 有机质添加速率/（L/h） 水位Z/cm 第一期 3° 枯水 1 800 0.15 3.6 40.0~35.5 第二期 — 中水—洪水—中水—枯水 2 600 0.25~0.35~0.25~0.15 3.6~4.5 35.5~44.5~41.0 第三期 — 中水—洪水—中水—枯水 2 600 0.25~0.60~0.25~0.15 3.6~4.5 41.0~51.5~46.5 第一期 6° 枯水中水—洪水—中水—枯水中水—洪水—中水—枯水 1 800 0.15 3.6 37.0~34.5 第二期 — 2 600 0.25~0.35~0.25~0.15 3.6~4.5 34.5~43~40.5 第三期 — 2 600 0.25~0.60~0.25~0.15 3.6~4.5 40.5~49.0~45.5 三期实验全程使用4K录像机记录,实验过程中,对三角洲的形态和有机质的搬运过程进行观察,每期使用3D激光扫描仪记录三角洲沉积地貌数据。每一期结束,铺设彩砂作为沉积期次分界面。三期实验结束后对最终沉积体采用0.65 m×0.5 m网格切片,并拍照记录横、纵剖面情况,取样分析总有机碳含量（TOC）,由Leco-CS-230碳硫分析仪测定。
2.1. 实验装置
2.2. 实验设计与方法
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实验模拟恩平组海陆过渡相三角洲沉积体系陆源有机质沉积过程,实验过程中三个沉积期水位连续变化,每个沉积期分两个阶段（Run1-1、Run1-2、Run2-1、Run2-2、Run3-1、Run3-2）,各阶段三角洲形态、岸线位置如图4。
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第一沉积期整体水退,并伴随着间断性水进,其中陡坡三角洲的水位从40 cm下降到35.5 cm,缓坡三角洲水位从37 cm下降到34.5 cm。三角洲演化定量表征数据显示,实验早期,水位变化不大时,陡缓坡三角洲的长在较短时间内均迅速增长,当砂体有一定沉积厚度后,三角洲延伸速率明显降低（图5a）；随着水位的降低,三角洲从横向展宽为主逐渐过渡到纵向延伸为主,长宽比变大接近于1,其中缓坡延伸速率高于陡坡（图5b）；三角洲形成一定规模后,砂体以垂向增厚为主。
实验开始前先对底型扫描一次,铺上红色彩砂作为沉积期次分界面,初始岸线位于Y=0.6 m处,水流量为0.15 L/s,加砂速率1 mL/s。实验开始20 min后出现主河道,水流携带泥砂在出口处快速沉积,并逐渐向前方延伸。200 min出现三角洲雏形,水流以片流为主（图6a）,砂体最远延伸至Y=1.25 m处,三角洲处于生长发育初期,可容空间大,伸展速率较快。实验进行700 min,水流流量增大至0.25 L/s,此时主河道分叉并开始摆动,砂体全方位发育（图6b）。Run1-1结束时,对三角洲砂体扫描一次,此时陡、缓坡三角洲差异较明显,缓坡三角洲沉积物被搬运到更远位置（图4a）。1 000 min后,降低物源供给速率,水流切割砂体,陡、缓坡三角洲以横向展宽为主。在1 000~1 800 min,出现很多分流河道,砂体继续向前推进,在前缘发育了大量的朵体（图6c）。第一期实验结束,陡、缓坡三角洲砂体差异变小（图4b）。
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第二沉积期模拟流量和物源供给量较大时海陆过渡相三角洲的沉积发育过程,第二沉积期分两个阶段,其中Run2-1、Run2-2分别为第一期沉积基础上水位逐渐升高的水进退积过程和三角洲水退进积过程。
实验水流流量0.35 L/s,物源供给较大。Run2-1时期,随着水位上升,陡、缓坡岸线位置逐渐回退至2.2 m（图4c）。Run2-2阶段,与第一期相比,三角洲规模更大,砂体沉积厚度更大,初始坡度的影响进一步减少,陡缓坡三角洲形态无明显差异。流量增大对三角洲沉积作用影响明显,水流切割早期沉积的砂体,整个沉积期主河道频繁摆动,朵体大量发育,沉积物被搬运到更远位置（图4d）。实验结束,对砂体进行3D激光扫描,并在三角洲砂体上均匀铺上紫色彩砂作为沉积期次分界面。
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第三沉积期一共用时43.3 h,模拟流量、物源供给较大且有波浪条件下,陆源有机质在海陆过渡相三角洲体系的沉积过程。
Run3-1阶段,陡坡水位变化范围为41.0~51.5 cm,缓坡水位变化范围为40.5~49.0 cm,整个过程中,岸线不断往物源方向后退（图4e）。波浪对三角洲的不断冲击,使三角洲前缘砂体部位改造明显,水流接触水面后向两侧偏转,三角洲的前积作用受到明显影响。部分细粒沉积物被重新冲回三角洲平原,与上游来水共同作用形成横向砂坝（图7a）。波浪作用在无河道区域留下波痕,主河道区域与水流流量抵消,痕迹显著减弱。水进结束,陡、缓坡岸线均位于Y=2.2 m处,对三角洲砂体进行3D激光扫描。
Run3-2阶段,水位整体下降,三角洲砂体往前发育,在前缘部位,发育了部分受波浪作用影响的横向砂坝以及细粒沉积物条带（图7b）。水退结束后,砂体上可观察到由多个砂坝构成的环形条带（图4f）,此时,陡坡水位46.5 cm、岸线3.5 m；缓坡水位45.5 cm、岸线3.5 m。
3.1. 第一沉积期
3.2. 第二沉积期
3.3. 第三沉积期
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在三角洲雏形时期,有机质主要随着水流搬运至前缘部位（图8a）。三角洲形成一定规模后,纵向延伸较快,有机质大部分沉积于岸线附近,少量沉积于河道漫溢处（图8b）。随着三角洲规模进一步增大,分支河道增多,在三角洲平原低能部位（河道漫溢处、废弃河道、河间洼地以及砂坝背流面）形成有机质局部富集区（图8c）。水流流经河道,以过路作用为主,随着物源供给减弱（水流强度不变,降低供砂速率）,水流切割沉积砂体,河道开始摆动,使部分水流漫溢在河道间,这时水流呈漫溢流动状态,水动力较弱,因此在河道漫溢处有明显有机质沉积。河道的变道与分叉,使三角洲平原残留多条废弃河道,有机质在这些相对闭塞的低能环境中沉积。三角洲前缘和前三角洲上有机质平面呈席状展布。第二、三沉积期阶段,三角洲规模更大,有机质被搬运到更远位置,在陆架区亦有有机质沉积。
第三沉积期造浪条件下,波浪对三角洲砂体的改造,在三角洲前缘,由上游来水和波浪共同作用形成许多砂坝,阻止了平原漫溢部位有机质的流失,形成有机质局部富集区。同时,坝间凹槽里水流流速较慢,有利于有机质的保存,形成环带状的有机质局部富集区（图9斜切面AA'）。
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基于有机碳含量的测定结合横纵剖面刻画分析,明确陆源有机质分布模式。切片过程中发现不同的亚相带,有机质的分布模式存在差异：三角洲平原亚相内,有机质主要以透镜型、断续型和互层型分布；而三角洲前缘和前三角洲,有机质以厚度较大的条带型为主。
三角洲Y=2 m横剖面上,红线与绿线之间为第一沉积期,绿线与紫线之间为第二沉积期,紫线之上为第三沉积期。第一沉积期可以识别出多个砂坝和分流间湾,这是由于河道频繁摆动所形成的；第二沉积期砂体厚度最小,垂向加积相对较弱。整个剖面可以识别出断续型、透镜型和互层型三种有机质分布模式。其中,断续型有机质颜色较浅,沉积厚度较薄（平均1 mm）,有机质随着水动力的减弱,在河道漫溢处等下凹程度较低的部位沉积形成,主要分布在三角洲平原；透镜型有机质颜色较深,剖面上呈现一定沉积厚度,形状呈不对称透镜状,由有机质在下凹程度较大的废弃河道和河间洼地等部位沉积形成,分布不规律（图10a）。
三角洲X=1.3 m中央纵剖面上,顺着物源方向,有机质沉积厚度逐渐变厚。近物源区,由于水动力较强,有机质易遭受侵蚀破坏从而难以保存,而三角洲前缘有机质层明显较厚,早期有机质沉积后,后期沉积物在水退时期将早期有机质覆盖,使前期沉积的有机质得以保存。剖面上主要可以识别出互层型和条带型两种有机质分布模式。互层型有机质颜色浅,沉积厚度较薄,分布数量多,相邻有机质间距小,近似平行分布,集中分布在三角洲平原部位,由有机质连续切过分支河道和废弃河道所致。条带型有机质颜色深,沉积厚度大,常见斜交条带,有机碳含量高,平面呈席状分布,主要分布在三角洲前缘—前三角洲。随着搬运距离的增加,有机质的分布模式由互层型向条带型转变,这是因为陆源有机质搬运到三角洲前缘与海水交互后,水动力减弱,导致有机质迅速沉积,因此岸线附近的浅海区域是有机质沉积的优势区域（图10b）。
4.1. 有机质平面展布特征
4.2. 有机质剖面分布特征
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基于3D激光扫描获得的三角洲沉积厚度数据与搬运距离的相关性,对陡、缓坡三角洲三个沉积期六个沉积过程进行分析（图11）。沉积厚度指三角洲总的沉积厚度（砂体+有机质）,砂体主要沉积于三角洲平原区域,而三角洲前缘—前三角洲区域只存在极少量的砂体,沉积厚度主要为有机质层。结果显示,随着三角洲规模的增大,有机质被搬运到更远的位置；三角洲砂体沉积区陡、缓坡沉积厚度基本一致。三角洲第一沉积期,可以观察到缓坡比陡坡搬运距离更远,尤其在三角洲Run1-1阶段,有机质的搬运距离差异最为明显。三角洲形成初期,缓坡三角洲水下可容空间小,有机质展布空间小,趋向于向前搬运。三角洲第二、三沉积期坡度大小不易界定,但陆源有机质的最远搬运距离大致相同。因此,坡度控制三角洲演化早期有机质的分布,坡度越缓,有机质被搬运距离越远,而随着三角洲沉积规模的增大,初始坡度对有机质分布的影响减少。
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水动力强度是影响有机质搬运距离的重要因素之一[10⁃11]。三角洲平原内,分支河道中水动力较强,以搬运为主,基本没有有机质沉积,向两侧漫溢出河道以后,水动力逐渐减弱,有机质逐渐沉积。在整个海陆过渡相三角洲沉积体系,从第二沉积期开始设计水流流量整体增大。对比三期水进条件下有机质的分布情况,由于第一期没有水进,取前半个沉积期进行比较（图12）。水进条件下,随着水动力增强,有机质沉积范围更广,最远搬运距离明显增大。对比Run2-1与Run3-1,水动力条件不变,增加波浪的影响,此时三角洲前缘—前三角洲区有机质沉积厚度变大,而有机质最远搬运距离变小。
波浪对有机质搬运具有一定的改造作用,导致有机质向前搬运受阻（图13）,有机质被冲散,均匀分布在三角洲前缘—前三角洲区域,有机质分布范围更广,沉积厚度更薄。因此,水动力强度和波浪条件是控制有机质搬运的重要因素,水动力越强,有机质搬运距离越远,造浪条件下,有机质向前搬运受阻,呈现更加均匀分布。
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基于激光扫描三角洲沉积厚度数据,分析AA'、BB'、CC'横剖面沉积厚度,其中三角洲前缘—前三角洲区域只存在少量砂体,沉积厚度增量主要为有机质沉积,有机质分布不均匀,其分布受河道变迁影响。主河道正前方沉积厚度增量大,随着河道变迁,有机质平面展布发生变化；陆架区虽有增量,但明显较三角洲前缘增量小,大陆坡位置几乎不发育（图14）。分析结果表明,三角洲前缘区域AA'横剖面沉积厚度最大,从三角洲平原到前三角洲有机质沉积厚度在逐渐增加；从BB'到CC',前三角洲到陆架区,有机质沉积厚度明显减少,有机质富集程度降低。河流与海水交汇后,水动力衰减,有机质在三角洲前缘—前三角洲区域迅速沉积,形成陆源有机质富集区,并且在前三角洲达到峰值。对比陡、缓坡三角洲沉积厚度,缓坡三角洲沉积厚度高于陡坡,有机质在缓坡三角洲上被搬运的更远。因此,陆源有机质随着搬运距离的增加,有先升高后降低的趋势,在前三角洲存在峰值。屈童等[11]在三角洲—浅海沉积体系沉积模拟实验中,通过粒度参数与TOC的相关性也证实了这一观点。
根据陡、缓坡X=1.3 m中央纵剖面TOC分析测试数据（图15）,有机质从三角洲平原到前三角洲TOC逐渐增加,前三角洲到陆架区趋于稳定,TOC峰值出现在约4.5 m的前三角洲区域。三角洲平原有机质碳含量低,大部分低于2％,波浪影响下形成的有机质局部富集区TOC要高于三角洲平原有机碳含量,而砂坝本身很少沉积或者不沉积有机质。三角洲前缘—前三角洲TOC高,从陆架区TOC有降低的趋势。TOC测试结果和激光扫描沉积特征一致,因此三角洲前缘—前三角洲区域为陆源有机质的主要富集区,可能发育优质烃源岩。
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基于恩平组三角洲沉积体系烃源岩分布差异的研究,结合实验过程中有机碳含量变化趋势,建立了陆源有机质沉积模式（图16）。单一物源条件下,陆源有机质丰度向远离物源方向上呈先升高后降低的变化趋势。三角洲平原亚相内,受植物碎屑原地堆积影响广泛发育煤层。由于较强的水动力环境影响,大部分陆源有机质难以保存,少量陆源有机质在洪水期漫溢出来,沉积于废弃河道、河漫滩、河间洼地等处,由下凹程度和切过长度的不同,在剖面上呈互层型、透镜型、断续型分布,与泥岩、砂岩垂向叠置；三角洲前缘和前三角洲亚相,河流与海水交汇后,水动力强度快速下降,陆源有机质在近海区迅速沉积,平面上呈席状展布,剖面上呈厚度较大的条带型分布；更远的陆架区,存在少量的陆源有机质以环流形式沉积,随着搬运距离增加,陆源有机质丰度减小。
5.1. 坡度影响三角洲演化初期的有机质分布
5.2. 水动力条件影响有机质搬运距离
5.3. 陆源有机质富集机制
5.4. 陆源有机质沉积模式
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（1） 陆源有机质在三角洲的不同亚相带分布模式不同,在三角洲平原,由陆源有机质沉积部位下凹程度和切过长度的不同,在剖面内主要以互层型、透镜型、断续型分布；在三角洲前缘—前三角洲,则以厚度较大的条带型分布为主。
（2） 坡度主要影响三角洲演化早期陆源有机质的分布,三角洲坡度缓,可容空间小,有机质搬运距离远,随着三角洲沉积厚度增大,初始坡度对陆源有机质的影响变小。水动力强度和波浪是影响陆源有机质搬运距离的重要因素,水动力越强,有机质搬运距离越远,而波浪导致有机质向前搬运受阻。
（3） 单一物源条件下,陆源有机质丰度向远离物源方向呈现先升高后降低的趋势。从三角洲平原到前三角洲,陆源有机质丰度逐渐升高,在前三角洲部位出现峰值,前三角洲至陆架区逐渐降低。同时,三角洲平原的低能环境（如河道漫溢处、废弃河道、砂坝背流面）存在陆源有机质局部富集区。
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